開口式月池水動(dòng)力特性研究.pdf

1、月池結(jié)構(gòu)在海洋油氣開采工程裝備中具有廣泛應(yīng)用。月池作為立管和套管通過的流體區(qū)域，其形狀和結(jié)構(gòu)形式對(duì)于浮體的運(yùn)動(dòng)性能具有重要影響。因此，研究月池內(nèi)流體動(dòng)力特性對(duì)于月池的設(shè)計(jì)和控制浮體的運(yùn)動(dòng)，具有重要的理論和工程意義。
　　本文針對(duì)底部全開口的矩形月池展開研究?；趧?shì)流理論建立月池流體運(yùn)動(dòng)方程，采用新的底部全開口邊界條件，研究月池內(nèi)流體的自振特性及水動(dòng)力特性；基于拉格朗日理論，建立結(jié)構(gòu)垂蕩-橫搖及月池流體耦合運(yùn)動(dòng)方程，研究月池流體對(duì)結(jié)

2、構(gòu)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響。本文主要工作及結(jié)論如下：
　　建立了月池內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)方程及邊界條件。假設(shè)月池內(nèi)流體為理想流體，基于勢(shì)流理論建立了月池內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)方程。根據(jù)速度勢(shì)及其法向?qū)?shù)在月池底部開口處的匹配條件，分別推導(dǎo)了全開口月池流體二維及三維情況時(shí)底部邊界滿足的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
　　研究了月池內(nèi)二維流體自振特性。將月池流體簡化為二維流動(dòng)，采用伽遼金方法展開速度勢(shì)函數(shù)，求解各階自振頻率及對(duì)應(yīng)的模態(tài)函數(shù)，分析了解的收斂性，研究了月池參數(shù)

3、對(duì)流體自振頻率及振型的影響。結(jié)果表明，月池流體具有兩類運(yùn)動(dòng)形式，即垂向活塞振動(dòng)及水平方向液面晃蕩；垂向運(yùn)動(dòng)模態(tài)自振頻率主要由月池內(nèi)水深決定，晃蕩自振模態(tài)頻率主要由月池兩側(cè)壁間距離決定；當(dāng)自由液面靠近底面時(shí)，自振頻率受底面速度影響升高。
　　研究了月池內(nèi)三維流體的自振特性。利用伽遼金方法將速度勢(shì)函數(shù)展開，將流體的三維自振特性方程轉(zhuǎn)化為二維特征值方程，求解了各階自振頻率及振型，分析了月池幾何參數(shù)對(duì)月池內(nèi)流體自振特性的影響，與二維結(jié)果進(jìn)

4、行對(duì)比，給出了二維模型的適用條件。結(jié)果表明，月池長度與寬度比大于3時(shí)，月池流體的自振頻率基本由寬度方向的階次決定，可采用二維模型；而長度與寬度相近時(shí)，各階模態(tài)的頻率與二維計(jì)算結(jié)果對(duì)比相差較大。
　　研究了月池橫蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)月池內(nèi)流體的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)?？紤]月池結(jié)構(gòu)橫蕩簡諧運(yùn)動(dòng)，利用伽遼金方法求解月池內(nèi)流體速度勢(shì)函數(shù)的半解析解，計(jì)算橫蕩附加質(zhì)量、側(cè)壁壓力分布及底面的流動(dòng)速度分布，分析了附加質(zhì)量隨激勵(lì)頻率變化的規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)月池橫蕩運(yùn)動(dòng)頻

5、率接近或等于月池流體自振頻率時(shí)，流體附加質(zhì)量增加到峰值。在月池流體的自振區(qū)間內(nèi)，流體附加質(zhì)量為月池自身排水量的數(shù)倍。月池底面壓力以底面中點(diǎn)為中心對(duì)稱分布，在自由液面影響范圍的側(cè)壁壓力明顯高于其他位置。
　　建立了月池內(nèi)流體的等效單擺力學(xué)模型，給出了等效單擺參數(shù)隨月池參數(shù)變化的規(guī)律。將月池內(nèi)水深的變化視為月池的垂蕩運(yùn)動(dòng)，建立不同水深下月池等效模型的參數(shù)庫。研究表明，二階單擺等效質(zhì)量遠(yuǎn)小于一階單擺等效質(zhì)量，在一般的計(jì)算中可忽略二階以上

6、月池晃蕩的影響。
　　研究了浮體垂蕩-橫搖及月池流體的耦合運(yùn)動(dòng)特性，分析了月池流體對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響。根據(jù)拉格朗日方程建立了月池－浮體耦合運(yùn)動(dòng)方程，考慮月池流體的影響，推導(dǎo)了橫搖參數(shù)激勵(lì)的馬蒂厄方程，應(yīng)用佛羅凱理論研究浮體周期解的穩(wěn)定性，確定橫搖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定區(qū)間。結(jié)果表明，月池流體阻尼明顯減小了浮體橫搖不穩(wěn)定區(qū)域，對(duì)1/2亞諧波振動(dòng)的不穩(wěn)定區(qū)域作用不明顯，增加月池的長度明顯減小了浮體橫搖穩(wěn)定區(qū)域。
　　研究了Spar平臺(tái)的分